一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，包括气流干扰生成系统、气流干扰仿真平台、无人机抗气流干扰实验平台；该系统对各种气流扰动建立精确的仿真模型并生成机载气流扰动模块，利用仿真软件对无人机受到的气流扰动影响进行精确仿真分析，仿真测试无误后再利用实验风场模拟设备，构建无人机气流扰动飞行环境，进行实际气流扰动环境飞行试验；本发明专利技术测试平台能够精确量化无人机所受气流干扰的大小，精确刻画评估无人机位置抗气流干扰能力边界以及对无人机位置抗干扰控制进行一体化设计，验证了该系统的有效性和工程实用性，适用于航空航天领域的无人机位置抗气流干扰的仿真分析、量化评估测试以及实际飞行验证试验。际飞行验证试验。际飞行验证试验。

【技术实现步骤摘要】
一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统


[0001]本专利技术涉及一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，属于无人机位置抗气流干扰控制一体化设计领域。

技术介绍

[0002]无人机在飞行过程中，会受到地效扰动、局部风变化等因素影响，导致无人机飞行区域有气流扰动，而这些气流扰动会改变无人机桨的力效、无人机桨叶的上下气流压差、无人机无序不均衡受力，使得气压计测量误差增大等从而对无人机飞行过程产生严重的影响，非常严重的时候甚至可能造成无人机翻转坠毁。
[0003]气流扰动对无人机飞行造成的严重影响必须通过适当的控制方法和策略来解决，而目前无人机对于气流扰动的控制是将气流扰动当成系统控制误差，依靠无人机姿态位置控制环中的PID参数进行简单的扰动控制，此种方法过于简单，在气流扰动干扰超过PID参数调节范围后，无人机将不能及时调整相应的位置姿态造成摔机。目前，关于无人机抗干扰方面的研究还是有一些,比如已授权的中国专利N201810049761.4《一种无人飞行器抗风干扰位置控制方法和装置》,比如已受理的中国专利CN202010586242.9《一种多旋翼无人机PID调试及抗干扰测试装置》等,上述控制算法均是在小范围简单扰动下设计的,抗干扰装置结构比较简单，应用比较局限,而且针对气流干扰的研究非常少,已有的抗气流干扰装置也均是在简单风扰下设计的,不能精准量化评估无人机位置抗气流干扰的能力以及对无人机位置抗干扰能力进行测试分析。
[0004]近年来无人机安全飞行越发受到该领域的公司、研究人员、公众和国家的重视，而外界风扰环境也一直是研究热点，本专利技术设计的一套旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试分析平台对无人机在大范围气流干扰强度下位置变化进行全面精准研究,能够精确地量化无人机所受的气流干扰，精确评估无人机位置的抗气流干扰能力以及实现了无人机位置抗干扰控制一体化设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术的技术解决问题是：克服了现有的仅依靠无人机位置控制环PID参数整定进行简单扰动控制的缺陷，提供一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，弥补现有的无人机位置抗气流扰动控制研究的缺少与不足，通过研究各种气流干扰模型的特性，并搭建气流干扰仿真平台和无人机抗气流干扰实验平台，能够精确地量化无人机所受的气流干扰，精确评估无人机位置的抗气流干扰能力以及实现无人机位置抗干扰控制一体化设计。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，对各种气流扰动建立精确的仿真模型，利用组态软件精确地设置不同类型的气流干扰的大小，利用仿真软件对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确仿真分析评估，并利用试验风场模拟设备构建无人机气流扰动飞行环境，进行实际气流扰动环境飞行实验，实现
无人机位置抗气流干扰控制一体化设计。
[0007]如图1所示，该系统包括气流干扰生成系统(19)、气流干扰仿真平台(10)、和无人机抗气流干扰实验平台(17)；三者分别从干扰生成、干扰仿真和实际干扰实验三个方面构成了整个旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统。
[0008]所述气流干扰生成系统(19)，为气流干扰仿真平台(10)和无人机实验平台(17)生成不同类型和强度的气流干扰，包括紊流干扰、阵风干扰、风切变干扰以及自定义干扰，进行无人机位置抗气流干扰控制研究；
[0009]所述气流干扰生成系统(19)包括风扰生成子系统(18)和仿真气流干扰生成子系统(20)；风扰生成子系统(18)用于真实气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)用于仿真气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)生成的用于仿真的风扰信号可以在风扰生成子系统(18)中利用实机设备实现，风扰生成子系统(18)中生成的真实气流干扰在仿真气流干扰生成子系统(20)有相应的数学模型和搭建的仿真模块。
[0010]所述气流干扰仿真平台(10),建立于旋翼无人机实际飞行实验相近的仿真环境，确定无人机飞行受到不同类型和强度的气流干扰影响时的各种性能指标，从而为量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力提供一定的仿真研究和理论分析。
[0011]所述无人机抗气流干扰实验平台(17)，提供了不同类型和强度气流干扰影响下无人机飞行的实验环境和位置抗气流干扰能力的测试平台，实现于真实环境中量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力，并能够实现无人机位置抗气流干扰控制一体化。
[0012]所述仿真气流干扰生成子系统(20)是气流干扰生成系统(19)的重要组成部分以及整个平台的仿真气流干扰生成单元，由风干扰模型(5)及风干扰组态软件(21)组成；所述风干扰模型(5)包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义风干扰模型(4)，通过对四种类型的风干扰建立精确的数学模型，并搭建仿真模型，根据实际要求在风干扰组态软件(21)的界面中设置模型参数包括类型、强度等，从而生成不同大小的气流干扰信号，并进一步编译生成气流扰动模块(6)。
[0013]所述风扰生成子系统(18)是气流干扰生成系统(19)的重要组成部分以及整个平台的真实气流干扰生成单元，由风机(12)、风机软件(22)以及气流扰动控制系统控制柜(11)组成；风机软件(22)控制风机(12)运行状态，气流扰动控制系统控制柜(11)设定和显示风机(12)运转风速，为实际无人机位置抗气流干扰实验创建真实的风干扰环境。其中风机(12)若干台，本专利技术选择10台，每台最大转速为每分钟1400转，能够生成不同大小的风干扰，通过风机软件(22)可以设置XYZ三个空间维度上的风速大小，进而改变运转风机的数目和风机风力的大小，可以于实际飞行环境中生成不同强度的风干扰，从而对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确地量化评估；通过在气流扰动控制系统控制柜(11)的触摸屏上输入与风机电机电流4
‑
20MA范围相对应的风速参数范围0
‑
16383之间的数值，改变风机运转速度，可以生成相应大小的风干扰，，同时实时显示各风机运转速度，地面站(14)通过通讯模块可以精确地获得三维风场的信息，包括风干扰的大小和方向。
[0014]所述风干扰模型(5)仿真气流干扰生成子系统(20)的重要组成部分，包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义风干扰模型(4)；其中阵风干
扰数学模型(1)为：参数V
m
是阵风幅值，d
m
是阵风长度，x是距离，V
wind
是在机体轴产生的空速增量；紊流干扰数学模型(2)为：
[0015][0016][0017][0018]参数uυω分别为轴向的速度流场，p q r分别为产生的旋转风场，V空速，b翼展，L
u L
v L
w
代表紊流尺度，σ
u
σ
v
σ
w
代表紊流强度，π为圆周率，s为拉普拉斯变量；风切变干扰数学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：包括：气流干扰生成系统(19)、气流干扰仿真平台(10)和无人机抗气流干扰实验平台(17)；所述气流干扰生成系统(19)，为气流干扰仿真平台(10)和无人机实验平台(17)生成不同类型和强度的气流干扰生成不同类型和强度的气流干扰，进行无人机位置抗气流干扰控制，所述不同类型和强度的气流干扰包括紊流干扰、阵风干扰、风切变干扰以及自定义风干扰；所述气流干扰生成系统(19)包括风扰生成子系统(18)和仿真气流干扰生成子系统(20)；风扰生成子系统(18)用于真实气流干扰生成，仿真气流干扰生成子系统(20)用于仿真气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)生成的用于仿真的风扰信号可以在风扰生成子系统(18)中利用实际风机设备实现，风扰生成子系统(18)中生成的真实气流干扰在仿真气流干扰生成子系统(20)也有相应的数学模型和搭建的仿真模块；所述气流干扰仿真平台(10)，建立与旋翼无人机实际飞行实验相近的仿真环境，具备大气环境数字化仿真环境能力，能够确定无人机飞行受到不同强度和类型不同类型和强度的气流干扰影响时的各种性能指标，从而为量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力提供仿真研究和理论分析；所述无人机抗气流干扰实验平台(17)，提供不同类型和强度气流干扰影响下无人机飞行的试验环境和位置抗气流干扰能力的测试平台，用于真实环境中量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力，并实现无人机位置抗气流干扰控制一体化。2.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述仿真气流干扰生成子系统(20)包括：风干扰模型(5)及风干扰组态软件(21)；所述风干扰模型(5)通过对阵风干扰、紊流干扰、风切变干扰和自定义风干扰的四种类型的风干扰建立精确的数学模型，并搭建仿真模型，风干扰模型(5)包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义风干扰模型(4)；根据实际要求在风干扰组态软件(21)的界面中设置模型参数包括类型、强度，从而生成不同大小的气流干扰信号，并进一步编译生成气流扰动模块(6)。3.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述风扰生成子系统(18)包括：风机(12)、风机软件(22)及气流扰动控制系统控制柜(11)；风机软件(22)控制风机(12)运行状态，气流扰动控制系统控制柜(11)设定和显示风机(12)运转风速，为实际无人机位置抗气流干扰实验创建真实的风干扰环境；所述风机(12)若干台，每台1400转/分钟生成不同大小的风干扰，通过风机软件(22)设置XYZ三个空间维度上的风速大小，改变运转风机的数目和风机风力的大小，用于实际飞行环境中生成不同强度的风干扰，对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确地量化评估；通过在气流扰动控制系统控制柜(11)的触摸屏上输入与风机电机电流4
‑
20MA范围相对应的风速参数范围0
‑
16383之间的数值，改变风机运转速度，生成相应大小的风干扰，同时实时显示各风机运转速度，地面站(14)通过通讯模块精确地获得包括风干扰的大小和方向的三维风场信息。4.根据权利要求2所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其
特征在于：所述阵风干扰数学模型(1)为：参数V
m
是阵风幅值，d
m
是阵风长度，x是距离，V
wind
是在机体轴产生的空速增量；所述紊流干扰数学模型(2)为：所述紊流干扰数学模型(2)为：所述紊流干扰数学模型(2)为：参数u υ ω分别为轴向的速度流场，p q r分别为产生的旋转风场，V空速，b翼展，L
u L
v L
w
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，郭克信，刘书林，乔建忠，余翔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：